电爆炸喷涂制备Mo/高碳钢复合涂层的研究
宋遒志, 杜新武, 李清, 王建中
北京理工大学学报
电爆炸喷涂是高压大电流通过用作喷涂材料的难熔耐磨金属丝时,金属丝熔化、部分汽化形成等离子体,并发生爆炸,从而使熔融的金属液滴高速喷射到工件表面形成涂层的方法.电爆炸喷涂具有如下优点:①所有金属材料,包括难熔的W,Mo,Ta等均能喷涂;②涂层光滑致密,喷涂颗粒细,粒度均匀;③喷射速度高,涂层与基体材料结合强度高;④基体不需预热,每次喷涂在千分之一秒完成,对基体的热影响小,适于在低熔点金属(如铝合金等)部件上制备耐磨性涂层;⑤喷射时间短,金属熔融粒子的氧化非常少;⑥尤其适合在中空零件的内表面喷涂涂层.在电爆炸喷涂方面,日本福田重久等人进行了大量研究[1-3].国内刘宗德等人对电爆炸进行工件外表面喷涂做了许多研究工作[4-6].由于超硬铝合金材料具有重量轻、强度高等优点,广泛地用于需要结构减重的地方.但是,其耐磨性差,限制了其作为摩擦件的使用.因此,为提高其摩擦性能,必须对其表面进行处理.作者采用电爆炸喷涂技术,在LY12铝合金圆筒内壁进行了制备复合涂层的研究.
考虑到钼是高熔点金属,其作为摩擦件材料时,不易和摩擦对偶件发生粘合,但其用作热喷涂材料时可提高涂层的抗粘咬性,而且钼具有自黏结特性,将其作为喷涂材料时,与基体的结合强度高.以高碳钢作为喷涂材料,在喷涂后,由于骤冷形成马氏体组织,使涂层具有高硬度和高强度.故作者采用Mo和80号高碳钢作为喷涂材料,在铝合金零件的内孔表面上制备复合涂层,并对涂层的表面形貌、显微硬度和结合强度等方面进行了检测.
摘 要:采用电爆炸喷涂的方法,以钼和80号高碳钢为喷涂材料,在LY12铝合金圆筒零件的内表面上交替喷涂钼和高碳钢,制备了Mo/高碳钢复合涂层,并对涂层的形貌、结合强度、抗热震性和显微硬度等性能进行了检测.研究结果表明,涂层具有致密、高硬度、结合强度高和抗热冲击性能好的优点.
关键词:电爆炸喷涂;复合涂层;结合强度;硬度;抗热冲击性
1 复合涂层制备
1·1 电爆炸喷涂装置
电爆炸喷涂原理如图1所示,主要由充电装置、电容储能装置和脉冲放电装置组成.作者在自行研制的电爆炸喷涂装置上进行喷涂实验.该装置的最大充电电压50 kV,充电电压在4~50 kV间连续可调.
1·2 试样、喷涂材料及复合涂层制备
在铝合金基材表面制备Mo和高碳钢的复合涂层时,铝合金试样材质为LY12,尺寸规格如图2所示,为2个半圆形铝合金圆筒合并成一个圆筒.圆筒内径为50 mm,长度为100 mm.在半圆形铝合金筒试样内部镶嵌4个直径为25 mm、厚度为7 mm的圆片试样,该试样材质为LY12,用于测试涂层结合强度及表面硬度.
在铝合金圆筒内表面制备Mo和高碳钢复合涂层时,用于喷涂的Mo丝和高碳钢丝尺寸规格如下.Mo丝:直径D=1·5 mm,长为120 mm;高碳钢丝(80钢):D=1·6 mm,长为120 mm.电爆炸喷涂实验中将爆炸丝置于铝合金圆筒内的中心位置,使用Mo丝,喷涂的Mo涂层形貌如图3所示.涂层厚为130μm,涂层致密,厚度均匀,每一次喷涂厚约4~6μm,涂层情况较好.使用高碳钢丝喷涂的涂层形貌如图4所示.涂层厚170μm,涂层致密,厚度均匀,每一次喷涂约厚5~6μm.
由于铝合金材料熔点低,所以本文中利用电爆炸喷涂对基体材料的热影响小的特点,采用钼和高碳钢为喷涂材料,在铝合金LY12基体上制备Mo/高碳钢复合涂层.由于Mo是一种自黏结材料和具有难以粘合性能,及高碳钢涂层具有高硬度和高强度,所以使复合涂层具有和基体的结合强度高、抗咬合和耐磨损的特点.该复合涂层具体制备过程如下.先喷涂Mo,再喷涂高碳钢,然后交替喷涂钼和高碳钢,钼和高碳钢的喷涂次数比为1∶2,总共喷涂30次.在铝合金圆筒内壁和4个圆片试件表面喷涂了复合涂层.
2 涂层检测
2·1 涂层形貌
Mo/高碳钢复合涂层制备以后,在试样中间沿周向采用线切割工艺切开,通过扫描电镜观测到涂层的断面情况如图5所示.通过观测可知,涂层中白色部分为Mo,黑色部分为高碳钢,可观察到涂层和基体间无间隙,Mo和高碳钢间无间隙;涂层厚度为230μm,涂层较致密,有很少量孔隙.将试样沿轴向采用线切割工艺切开,通过扫描电镜观测到的涂层沿轴向的断面形貌如图6所示.通过观测可知:涂层厚度为203μm,涂层致密,孔隙较少,涂层和基体间无间隙,Mo和高碳钢间无间隙.
2·2 涂层结合强度
涂层与基体间的结合强度是衡量涂层性能的重要指标,本文中采用拉伸法,根据国标GB/T8642—2002来测试复合涂层和铝合金基体间的结合强度.具体过程如下:
①将3个圆片试样的未喷涂端面和加载块的端面进行表面喷沙处理.
②使用E7胶按如图7所示将圆片试样分别和加载块黏结起来.
③待胶干且试样和加载块黏结牢固后,在拉伸试验机上进行拉伸实验
试验在Instron3369型拉伸试验机上进行,3个试样拉伸试验的加载曲线如图8所示,拉伸试验结果如表1所示.实验结果表明:试样1涂层的结合强度大于43·37 MPa;试样2涂层的结合强度为43·00 MPa;试样3涂层的结合强度大于51·00 MPa.因此,复合涂层与铝合金基体的结合强度应该在43·00 MPa以上.
2·3 涂层热震性能实验
将制备好的涂层采用急冷急热法测试其热震稳定性,将试样置于350℃的电炉内保温1 h后取出放入冷水中冷却,此为一次循环.其热震稳定性能以不出现裂纹、脱落或起泡的循环次数表示,共进行了9次循环,涂层完好.
考虑到试样在电炉中加热30 min能够受热均匀,实验条件改为将试样置于350℃的电炉内保温30 min后,取出放入冷水中冷却为一次循环,这样可缩短实验时间.共进行了12次循环,涂层完好.说明该复合涂层具有较好的抗热震性能,适合在交变热应力作用下工作.
2·4 涂层显微硬度
涂层硬度影响涂层的耐磨性,涂层硬度高则其耐磨性能好.本文中采用Wolpert 401MVD型维氏显微硬度计对复合涂层的硬度进行了检测.检测包括:①对喷涂钼试样断面涂层硬度进行检测;②对喷涂80号高碳钢试样断面涂层硬度进行检测;③对复合喷涂试样断面涂层硬度进行检测;④对圆片试样的表面涂层进行研磨和抛光后,测试其表面涂层的硬度;⑤测试铝合金基体的显微硬度.测试结果如表2所示.
根据检测结果可知,复合涂层的表面硬度在506·0左右,断面硬度在467·0左右,而铝合金基体的硬度为119·9,显然,在铝合金表面喷涂该复合涂层后,涂层的表面硬度较高,有利于提高铝合金工件的耐磨性.
3 结 论
采用电爆炸喷涂方法,在材料为LY12的圆筒形铝合金零件内表面,以钼和80号高碳钢为喷涂材料,先喷涂钼,以提高涂层和基体间的结合强度,再交替喷涂高碳钢和钼,钼和高碳钢的喷涂次数的比例为1∶2,制备Mo/高碳钢复合涂层,该复合涂层具有如下优点:①涂层致密,孔隙少;②涂层与基体间的结合强度高,结合强度大于43 MPa;③涂层抗热震性能优良;④涂层硬度高,表面硬度在506·0左右,断面硬度在467·0左右,而铝合金基体的硬度为119·9左右.实验结果表明,在铝合金工件内表面喷涂此复合涂层,有利于提高铝合金工件的耐磨损能力.
图略
参考文献略
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